BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

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Tonmineralogisch-organische Prozesse in Barrieresystemen

Land / Region: Weltweit

Projektanfang: 01.01.2002

Projektende: 31.07.2014

Projektstand: 31.07.2014

Abb.1: Bentoniteinsatz in Endlagersystemen (hochkomprimierte Bentonitformsteine umgeben den Kanister)Abb.1: Bentoniteinsatz in Endlagersystemen (hochkomprimierte Bentonitformsteine umgeben den Kanister) Quelle: BGR

Die Eigenschaften und Anwendungen von Bentoniten in den Endlager-Barrieresystemen Ton und Granit sollen systematisch recherchiert, untersucht und darauf aufbauend optimiert werden. Die so optimierte technische Barriere soll ebenfalls in Salzgesteinen einsetzbar sein (Abbildung 1).

Werden Tonminerale oder ihr Kornverband chemisch oder mechanisch verändert, so wirken sich deren veränderte (anisotrope) Eigenschaften auf die Stabilität des Barrieresystems aus. Hier setzt das geplante Forschungsvorhaben an. Aus geowissenschaftlicher und aus technischer Sicht ist es sicher möglich, eine optimale Auswahl eines natürlichen Bentonits bzw. Tones zu treffen bzw. Maßnahmen zu empfehlen, die ein bestimmtes Material verbessern können.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Mineralogisch-geochemisch-geotechnische Untersuchungen zur Optimierung natürlicher Bentonite zu speziellen Endlagerbentoniten“ soll die Frage untersucht werden, wie möglichst ideale Bentonite/Tone als Barrierematerial für die wichtigsten Fragen der Endlagerung beschaffen sein sollten. Dazu muss zunächst die Bandbreite der Bentoniteigenschaften basierend auf den existierenden Erfahrungen sowie einer aufzubauenden signifikanten Probenbasis identifiziert werden.

Zur Eignung von Bentoniten in Endlagern wurden weltweit bisher umfangreiche Studien durchgeführt. In der Regel beschränkte sich diese Forschung auf einen oder zwei verschiedene Bentonite, wobei meist das dominierende Kation der Zwischenschicht als Unterscheidungsmerkmal verwendet wurde. Anwendungstechnikern aus der Bentonitindustrie ist hingegen wohl bekannt, dass sämtliche Eigenschaften der Bentonite - ohne dies aus den messbaren Parametern ableiten zu können - signifikante Unterschiede aufweisen. Die geeigneten Bentonittypen werden in der Regel anhand von screening Tests identifiziert. In diesem Projekt wird neben derartigen Untersuchungen bezüglich der Anwendung im Endlager zusätzlich der Versuch unternommen, deutliche Unterschiede anhand messbarer Parameter zu erklären. Besonderes Augenmerk wird dabei auf bisher nicht systematisch untersuchte Bentonit-Eigenschaften wie Mikrostruktur (Verwachsungen/Anordnungen von Mineralen und Aggregaten), Schichtladungsverteilung, clustering von Atomen (nicht statistische Verteilung von Gitterbausteinen im Realkristall) gelegt. Diese Kennwerte werden helfen, einen neuen Zugang zu dem in vielen Fällen wenig verstandenem System Bentonit-Wasser-Schadstoff zu gewinnen.

Die wissenschaftlichen Arbeiten von Dr. Kaufhold auf diesem Gebiet wurden 2012 mit dem Karl-Jasmund Preis der DTTG (Deutsche Ton- und Tonmineralgruppe) geehrt.

Projektabschluss:
Tiefe Gesteinsformationen gelten derzeit als am besten geeignet, um hoch radioaktive Abfälle sicher und dauerhaft zu lagern. Aus diesem Grund werden derzeit verschiedene Konzepte getestet, bei denen der hochradioaktive Abfall in tiefen Gesteinsformationen sicher eingeschlossen werden soll. Viele Konzepte sehen vor, zwischen den Metallkanistern, die den hochradioaktiven Abfall enthalten und dem sogenannten Wirtsgestein eine zusätzliche Sicherheitsbarriere einzubauen. Dies ist besonders relevant, falls das Endlager in oftmals klüftigem Gestein, wie z.B. Granit errichtet werden soll. Ergebnisse zahlreicher Tests zeigen bereits an, dass für diese Barriere ein spezieller stark quellfähiger Ton verwendet werden kann, der Bentonit genannt wird. Bentonit wird seit Jahrzehnten zur Abdichtung von Mülldeponien und in Dichtwänden zur Isolierung kontaminierter Bodenbereiche verwendet. Hierfür wurden spezielle Rohstoffprodukte entwickelt. Aufgrund seiner Quellfähigkeit besitzt Bentonit eine sehr geringe Durchlässigkeit. Porenstruktur und Oberflächenladung verleihen ihm zudem ein gewisses Schadstoffrückhaltevermögen. Bentonit kommt weltweit in diversen Lagerstätten vor, wobei sich die Rohstoffe unterschiedlicher Lagerstätten zum Teil deutlich hinsichtlich Zusammensetzung und Oberflächenladung unterscheiden. Dies führt dazu, dass nicht jede Lagerstätte für eine bestimmte Anwendung des Bentonits geeignet ist.

Abb. 2: Schematische Darstellung des von Bentonit-Barriereelementen umgebenen Metall-Endlagerbehälters und den 10 im Rahmen der Studie identifizierten Anforderungen in der neuen AnwendungAbb. 2: Schematische Darstellung des von Bentonit-Barriereelementen umgebenen Metall-Endlagerbehälters und den 10 im Rahmen der Studie identifizierten Anforderungen in der neuen Anwendung Quelle: BGR

In der Bentonitindustrie ist es daher üblich, einen optimal geeigneten Ton einer bestimmten Lagerstätte zunächst zu identifizieren und dann auf dem Markt anzubieten. Die Anwendung von Bentonit als Barriere in einem Endlager ist relativ neu, weshalb noch keine Empfehlungen bezüglich der Wahl eines geeigneten bzw. dem Ausschluss eines ungeeigneteren Bentonites existieren. Im Rahmen einer 12-jährigen Studie hat die BGR sowohl anhand vergleichender Labortests als auch anhand der Auswertung von in-situ Großversuchen in Untertagelaboren die ersten Kriterien zusammengefasst, die trotz der unterschiedlichen Anforderungen der unterschiedlichen Konzepte allgemein anwendbar sind. Dazu wurden zunächst die 10 wichtigsten Anforderungen an den Bentonit identifiziert und dann mit der Varianz der Bentonite von diversen Lagerstätten verglichen. Einige Parameter wie z.B. Quelldruck und hydraulische Leitfähigkeit aber auch die thermische Leitfähigkeit hängen dabei weniger von dem Typ des Bentonits sondern mehr mit unterschiedlicher Kompaktionsdichte während der Produktion der Barriereelemente zusammen. Besonders die Stabilität des Bentonits und der Barriere hängt aber von der Wahl des Bentonits ab. Dementsprechend zeigt die Studie, dass ein gut geeigneter Bentonit keine oder nur wenig lösliche und/oder reaktive Komponenten wie, organisches Material und Schwefelverbindungen besitzen sollte. Aufgrund höherer Erosionsgefahr sollten Ca/Mg-Bentonite und aufgrund der größeren chemischen und thermischen Stabilität Eisen-arme Bentonite bevorzugt werden. Im Zusammenhang mit Eisen-Kanistern sollte eine niedrige Schichtladungsdichte der Smektite im Bentonit aufgrund tendenziell höherer Korrosionsraten des Eisens vermieden werden. Diese Qualitätsmerkmale werden durch zukünftige Forschungsergebnisse ergänzt, was schließlich die Wahl eines in allen Belangen idealen Endlagerbentonites ermöglicht.

Literatur:

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Kontakt 1:

    
Dr. Stephan Kaufhold
Tel.: +49-(0)511-643-2765
Fax: +49-(0)511-643-3664

Kontakt 2:

    
Dr. Reiner Dohrmann
Tel.: +49-(0)511-643-2557
Fax: +49-(0)511-643-532557

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